Pobierz - Publio
advertisement
FIZYKA w Szkole z Astronomią CZASOPISMO DLA NAUCZYCIELI Pluton 339 (LX) indeks 35810X Nr 4 lipiec/sierpień 2015 CENA 27,50 ZŁ (w tym 5% VAT) Odkrycia misji New Horizons Materiały PRZYSZŁOŚCI – nanorurki ditlenku tytanu Filozofia KWANTOWA Wyzwanie dla uczniów i nauczycieli Polaryzacja Przyspieszenie CHROMATYCZNA ZIEMSKIE Zjawiska i eksperymenty optyczne Jak je zmierzyć w szkole? Spis treści Fizyka wczoraj, dziś, jutro Witamy po wakacjach! 4 Wzorcowe uporządkowanie w świecie nanomateriałów – nanorurki ditlenku tytanu ¢ Katarzyna Siuzdak, Mariusz Szkoda 19 Filozofia kwantowa ¢ Rafał Demkowicz-Dobrzański Z arówno w czasach uczniowskich, jak i studenckich uważałem, że najlepszym okresem w roku są wakacje. Skoro jednak „wszystko mija w świecie (niech go jasny piorun trzaśnie!)”, to wakacje także się kończą, co właśnie nastąpiło. Być może nowy rok szkolny okaże się równie ciekawy, czego wszystkim Państwu życzę. Zgodnie z ustaleniami Organizacji Narodów Zjednoczonych nadal trwa Międzynarodowy Rok Światła. W związku z tym kontynuujemy ten temat w bieżącym numerze czasopisma. Zachęcamy więc do lektury artykułu Andrzeja Kuczkowskiego pt. Polaryzacja chromatyczna, w którym autor omawia nie tylko samą polaryzację chromatyczną, ale też zjawiska z nią związane, takie jak dwójłomność, czyli podwójne załamanie światła. Nauczycielom fizyki oczywiście nie trzeba przypominać, że właśnie to zjawisko pozwoliło nam zrozumieć naturę fal świetlnych. Autor nie tylko omawia wspomniane zjawiska, lecz także prezentuje poglądowo eksperymenty, które można przeprowadzić w pracowni szkolnej. Tematyce eksperymentalnej poświęcone są jeszcze dwa teksty. W artykule pt. Doświadczenie? Nie ma problemu! Adam Kobiałka przedstawia trzy stosunkowo proste do wykonania eksperymenty. Z kolei Adam Ogaza podpowiada, jak zmierzyć przyspieszenie ziemskie w rzeczywistości szkolnej. Tym z Państwa, którzy lubią patrzeć w niebo i podziwiać piękno rozgwieżdżonego nieba, serdecznie polecamy kolejny artykuł Janusza Rokity z serii Jak powstawały współczesne konstelacje. Życzymy Państwu przyjemnej lektury Z naszych lekcji 9 Polaryzacja chromatyczna ¢ Andrzej Kuczkowski 24 Ratujmy kinematykę! ¢ Waldemar Reńda 27 Doświadczenie? Nie ma problemu! ¢ Adam Kobiałka 30 Pomiar przyspieszenia ziemskiego w rzeczywistości szkolnej ¢ Adam Ogaza ASTRONOMIA dla każdego 16 Pluton – zdegradowana planeta sfotografowana! ¢ Zbigniew Wiśniewski 35 Jak powstawały współczesne konstelacje, cz. II ¢ Janusz Rokita 43 Miłośnicy astronomii wszystkich krajów łączą się ¢ Michał Niedźwiecki, Katarzyna Niedźwiecka Redakcja FIZYKA w Szkole z Astronomią CZASOPISMO DLA NAUCZYCIELI NUMER 4 LIPIEC/SIERPIEŃ 2015 Nakład 3000 egz. CENA 27,50 zł 339 (LX) indeks 35810X ISSN 0426-3383 (w tym 5% VAT) Komitet redakcyjny Juliusz Domański, Krystyna Jabłońska-Ławniczak, Jerzy Kreiner, Andrzej Majhofer (Przewodniczący Komitetu), Zygmunt Mazur, Andrzej Szymacha, Mirosław Trociuk Redakcja Zbigniew Wiśniewski (redaktor prowadzący – [email protected]), Paweł Pęczkowski Adres redakcji ul. Warchałowskiego 2/58, 02-776 Warszawa Wydawnictwo Agencja AS Józef Szewczyk, ul. Warchałowskiego 2/58, 02-776 Warszawa, e-mail: [email protected], faks: 22 641 02 01, www.aspress.com.pl, NIP: 951-134-91-51 Wydawca i redaktor naczelny Józef Szewczyk, tel. 606 201 244, [email protected] Prenumerata www.aspress.com.pl/ prenumerata-2015/, e-mail: [email protected], faks: 22 641 02 01 Reklama Jędrzej Chodakowski, [email protected] Skład i łamanie Vega design Druk i oprawa Pabianickie Zakłady Graficzne SA, 95-200 Pabianice, ul. P. Skargi 40/42 Redakcja nie zwraca nadesłanych materiałów, zastrzega sobie prawo formalnych zmian w treści artykułów i nie odpowiada za treść płatnych reklam. Zapraszamy do odwiedzenia naszej strony w Internecie www.aspress.com.pl astronomia dla każdego Pluton – zdegradowana planeta sfotografowana! Zbigniew Wiśniewski Jednym z najważniejszych wydarzeń, które zelektryzowały świat miłośników astronomii, kawiarnianych intelektualistów i pracowników międzynarodowych agencji kosmicznych, w tym NASA, było przesłanie zdjęć Plutona, obecnie zwanego planetą karłowatą. Zdjęcia wykonała sonda New Horizons (Nowe Horyzonty) wystrzelona przez NASA w 2006 roku w ramach szerszego programu New Frontiers (Nowe Granice), który ma służyć poznaniu dalekich zakamarków Układu Słonecznego. Sonda New Horizons była mniej więcej trójkątnym obiektem o masie 470 kg. W angielskiej wersji Wikipedii podano, że przypomina ona pianino. Zasilana jest za pomocą izotopowego generatora termoelektrycznego, czyli urządzenia, które zamienia energię rozpadu pierwiastków promieniotwórczych na prąd elektryczny. W skład aparatury badawczej sondy wchodzą następujące urządzenia: l Ultraviolet Imaging Spectrometer, czyli spektrometr fal ultrafioletowych z zakresu 465–1880 Å; l Multispectral Visible Imaging Camera (Ralph/MVIC), czyli kamera multispektralna w świetle Fot. 1. Sonda New Horizons jeszcze na Ziemi Źródło: https://pl.wikipedia.org/wiki/New_Horizons#/media/File:New_Horizons_1.jpg [dostęp: 20.07.2015]. 16 Fizyka w Szkole 4/2015 widzialnym i bliskiej podczerwieni; l Linear Etalon Imaging Spectral Array (Ralph/LEISA), czyli spektrometr mapujący, pracujący w zakresie bliskiej podczerwieni; l Long Range Reconnaissance Imager (LORRI), czyli kamera pracująca w zakresie 350–850 nm. Są też elementy do badania cząstek stałych oraz do badań radiowych. Opisana sonda zbliżyła się na odległość 12,5 tys. km, uzyskując najdokładniejsze zdjęcia Plutona w historii astronomii. Zdjęcia te ukazały bardzo nierówną powierzchnię Plutona, sugerującą występowanie łańcuchów górskich i depresji. Widać też, że Pluton mimo degradacji wciąż nas kocha, o czym świadczy olbrzymia struktura w kształcie serca. Fot. 2. Symulacja graficzna ukazująca wielkość Plutona i jego księżyca w stosunku do Ziemi. Źródło: NASA astronomia dla każdego Badanie za pomocą sondy New Horizons będzie zapewne punktem przełomowym w historii badań tego obiektu, albowiem do tej pory jedyną rzeczą pewną na jego temat było to, że istnieje. Udało się też wyznaczyć jego orbitę i wykryć jego satelity. O tym, jak znikoma była nasza wiedza na ten temat, świadczy następujący fakt. Jeszcze w roku 1979 w swojej książce Świat planet Zbigniew Dworak i Konrad Rudnicki napisali: „Spośród wszystkich planet Układu Słonecznego Pluton jest może najbardziej zagadkowym obiektem. Przyczyną jest jego znaczna odległość od Słońca i brak własnego satelity”. Obecnie wiemy, że Pluton ma aż pięć satelitów. Największy z nich to Charon. Dokonane w 1978 roku przez Jamesa Christy’ego odkrycie całkowicie zmieniło pogląd na strukturę Plutona. Po pierwsze, możliwe stało się wyznaczenie masy Plutona, a po drugie, zarówno w literaturze fachowej, jak i popularnonaukowej pojawiło się określenie układ Pluton-Charon i Plutona zaczęto określać mianem planety podwójnej. Drugim takim układem w Układzie Słonecznym jest układ Ziemia-Księżyc. Przyjrzyjmy się dokładnie obu systemom. 24 Masa Ziemi wynosi 5,97 · 10 22 kg, a masa Księżyca – 7,34 · 10 kg, czyli stosunek masy Ziemi do masy Księżyca jest równy ponad 81. A jak to jest w przypadku Plutona i Charona? Masa Plutona wynosi 1,3 · 22 10 kg, z kolei masa Charona 21 – 1,52 · 10 kg, czyli stosunek masy Plutona do masy Charona jest równy 8,5. A więc układ Pluton-Charon jest o wiele bardziej podwójny niż układ Ziemia-Księżyc, jego składniki są bardziej równoprawne. W przypadku układu Pluton-Charon przybliżenie stwierdzające, że Charon obiega Plutona, Fot. 3. Układ Pluton-Charon Źródło: NASA, zdjęcie wykonane za pomocą teleskopu Hubble’a. jest o wiele mniej słuszne niż w wypadku układu Ziemia-Księżyc. Dlatego lepiej używać stwierdzenia, że oba obiekty obiegają wspólny środek masy. Jest jednak rzecz, która łączy oba układy. Księżyc jest zwrócony do Ziemi zawsze tą samą stroną. W układzie Pluton-Charon jest podobnie. Skoro Pluton jest taki tajemniczy, to jak to się stało, że w ogóle został odkryty? Aby odpowiedzieć na to pytanie, cofnijmy się do roku 1781, kiedy to William Herschel odkrył Urana. Nagle okazało się, że Układ Słoneczny jest o wiele większy, niż przypuszczano. Co prawda, dwa tysiące lat wcześniej pitagorejczycy przewidzieli możliwość istnienia nieznanej planety, ale ich rozważań nie traktowano zbyt poważnie. Odkrycie Urana było świetną okazją do przetestowania zasad dynamiki Newtona. Zaczęto więc analizować położenia Urana pod tym względem i tu czekała na naukowców pewna niespodzianka. Uran pojawiał się w innych miejscach, niż przewidywała mechanika Newtona (co pewnie ucieszyło zwolenników teorii wirów Kartezjusza). Pojawiło się więc pytanie o to, czy dynamika Newtona obowiązuje na takich odległościach. Na tak postawione pytanie dwóch zwolenników mechaniki Newtona: John Couch Adams i Urbain Jean Leverrier odpowiedziało następująco: prawo grawitacji Newtona jest jak najbardziej do uratowania, jeśli założy się, że za Uranem znajduje się jeszcze jedna planeta. Planetę tę, a więc Neptuna, zlokalizował w 1846 roku niemiecki astronom Johan Gottfried Galle. Neptun to, jak pamiętamy, rzymski bóg mórz i brat Zeusa. Tylko świat podziemi pozostał bez planety. Ta jawna niesprawiedliwość wkrótce miała, przynajmniej czasowo, się skończyć. Badając ruch Neptuna i częściowo Urana, naukowcy doszli do wniosku, że znowu coś się nie zgadza. Fot. 4. Największe znane obiekty transneptunowe Źródło: https://en.wikipedia.org/wiki/File:EightTNOs.png#/media/File:EightTNOs_pl.png [dostęp: 20.07.2015] Fizyka w Szkole 4/2015 17 astronomia dla każdego Postulowali więc, że za orbitą Neptuna powinien znajdować się kolejny wielki gazowy olbrzym, i rozpoczęli jego poszukiwania. Wyznaczono przybliżoną lokalizację hipotetycznej planety i… nic. Jednym z obserwatoriów, które prowadziły poszukiwania, było bostońskie obserwatorium Lowella. Poszukiwania te rozpoczęto w 1904 roku, a dopiero w 1930 roku zostały one uwieńczone sukcesem. Sztuki tej dokonał 23-letni astronom Clyde Tombaugh, który znalazł ruchomy obiekt. Natychmiast pojawił się problem nazwy. Rozstrzygnęła go 8-letnia wówczas Venetia Burney. I takim to sposobem bóg podziemnego świata otrzymał swoją planetę. Jak się później okazało, tylko tymczasowo. Oceniając jasność i średnicę odkrytej planety, od razu stwierdzono, że coś jest nie tak. Pluton był bowiem zbyt lekki, aby móc wywołać obserwowane efekty. Spodziewano się masywnego gazowego olbrzyma, a stwierdzono istnienie jedynie małego okruchu skalnego o masie dwóch tysięcznych masy Ziemi. Orbita Plutona jest też dość dziwna jak na planetę. Jest ona mocno eliptyczna, tak że kilkakrotnie przecina orbitę Neptuna. Aby dokonać pełnego obiegu Słońca, Pluton potrzebuje 248 lat, czyli nie mieliśmy jeszcze okazji prześledzić pełnego obiegu. Przez wiele lat był on też pomijany w planach badawczych. Pierwotnie miała być skierowana w jego okolice sonda Voyager 1, ale zrezygno- wano z tego pomysłu, a zamiast tego zbadano Tytana – satelitę Saturna. Właściwie dopiero sonda New Horizons zbliżyła się do niego na odległość umożliwiającą zebranie jakichkolwiek danych dotyczących m.in. jego geologii atmosfery. Na nieszczęście dla Plutona w jego okolicach od 1992 roku zaczęto odkrywać obiekty podobne do Plutona. W związku z tym astronomowie stanęli przed dylematem: gwałtownie zwiększyć liczbę planet czy też pozbawić Plutona tego tytułu? Wybrano to drugie rozwiązanie i od 2006 roku Pluton jest planetą karłowatą obok asteroidy Ceres i kilku innych obiektów transneptunowych. LITERATURA [1] Anglojęzyczna wersja Wikipedii: https://en.wikipedia.org/wiki/Main_Page [dostęp: 20.07.2015]. [2] Dworak Z., Rudnicki K., Świat planet, PWN, Warszawa 1979. Co w fizyce piszczy? Bezpośredni pomiar wkładu CO2 w efekt cieplarniany To, że zwiększona zawartość dwutlenku węgla powoduje wzrost temperatury ziemskiej atmosfery, było wiadomo od dawna. Wniosek ten wyciągnięto z dwóch faktów: z pomiaru temperatury atmosfery ziemskiej oraz z pomiaru stężenia dwutlenku węgla. Do tej pory jednak brakowało trzeciego elementu: pomiaru emisji cieplnej dwutlenku węgla w atmosferze (chodzi o pomiary w warunkach naturalnych, a nie laboratoryjnych). Ta luka w pomiarach została jednak właśnie uzupełniona. Naukowcy z Lawrence Berkeley National Laboratory (USA) opublikowali Rys. 1. Schemat efektu cieplarnianego 18 Fizyka w Szkole 4/2015 pomiary natężenia promieniowania podczerwonego dwutlenku węgla wykonane na dwóch stacjach badawczych: jednej w Oklahomie, a drugiej na Alasce. Pomiary trwały 11 lat i wykazały, że w ciągu ostatniej dekady promieniowanie wzrosło 2 o 0,2 W/m . Pomiary potwierdziły też przewidywany teoretycznie spadek ciepła emitowanego przez dwutlenek węgla wczesną wiosną. Efekt ten jest rezultatem tego, że rośliny na wiosnę pochłaniają znajdujący się w atmosferze dwutlenek węgla. Kolejny krok w rozwoju kwantowej teleportacji Chińscy uczeni dokonali kolejnego odkrycia w dziedzinie kwantowej teleportacji. Kwantowa teleportacja polega na przenoszeniu pewnych cech z jednej cząstki na drugą, znacznie oddaloną. W momencie takiego przeniesienia w wyniku zjawiska zwanego splątaniem kwantowym cząstka źródło traci tę właściwość. Dotychczas udawało się zazwyczaj przenieść jedną właściwość, np. polaryzację lub spin. Tym razem chińscy uczeni dokonali transportu jednocześnie spinu i polaryzacji. Niestety, w dalszym ciągu nie przeprowadzono eksperymentu polegającego np. na teleportacji pieczonego kurczaka z buraczkami na talerz autora tej rubryki. Zbigniew Wiśniewski
